关于碳清除，问题已不再是必要与否，而是能否足够快地扩大规模。
气候问题正在以不可控的态势滑向深渊，人类试图以足够快的速度消除二氧化碳以降低最坏情况可能出现的风险，但目前这些努力仍不尽如人意。而全世界对大气二氧化碳清除技术（简称CDR）的关注度和投入度，如今已上升至一个空前的层级。
2022年4月，CDR领域发生很多大事：一个由科技和咨询公司组成的联盟承诺购买近10亿美元的永久性碳清除装置。十多家雄心勃勃的CDR初创公司获得了100万美元的奖金，以帮助他们进一步开发技术。联合国政府间气候变化专门委员会（IPCC）坚定信念，力求通过CDR在21世纪中叶实现碳中和。美国能源部继续就除碳任务拨款的具体用途敲定最终方案。这些拨款总额高达数十亿美元，并于2021年11月被确定投入直接空气碳捕获（direct air capture，DAC）计划。
在4月4日发布的最新评估报告中，IPCC首次明确宣布，必须将二氧化碳清除作为实现2℃目标（即将全球气温较工业化前水平上升的幅度限制在2℃以内，此目标于2015年《巴黎协定》中制定）的一个重要环节。尽管所需的CDR量将取决于能够减少二氧化碳排放的程度，但IPCC估计，到21世纪中叶，为防止世界过热，人类每年必须清除50～100亿吨二氧化碳。
美国能源部资助的联合全球变化研究所博士后杰伊 · 福尔曼（Jay Fuhrman）曾在IPCC的CDR建模评估工作中献策献力。在他看来，目前有两方面的CDR需求：一是抵消那些难以除去的碳排放来源的长期影响，包括来自农业、航空、长途卡车和船舶的碳排放；二是脱除留在大气中的二氧化碳，将其浓度恢复至可接受的水平。现任美国能源部化石能源与碳管理办公室首席副助理秘书、化学工程师、CDR专家詹妮弗 · 威尔考克斯（Jennifer Wilcox）表示，到2050年，美国需要每年去除约10亿吨二氧化碳——这是一个对诸多产业而言难度极大、充满技术和资金挑战的任务——才能实现净零碳排放。
怎么强调这个任务的重要性都不为过。威尔考克斯表示：“现在全世界每年能清除数千吨二氧化碳。而在接下来不到30年的时间内，我们必须实现现有水平的100万倍。”
美国总统拜登于2021年11月颁布《基础设施投资和就业法案》（The Infrastructure Investment and Jobs Act），拨款35亿美元用于DAC计划的技术示范。DAC的工作团队力求通过机械和化学的方式脱除二氧化碳。另有数十亿美元拨款用于发电厂和工业设施的碳捕获和储存示范。
该法案指示美国能源部在6个月内开始征求4个DAC示范“中心”的建议。威尔考克斯于2022年4月下旬接受采访时拒绝透露能源部将如何遵循国会指令，但表示他们可能会发布意向通知或资助机会公告。
立法者规定，除了每年至少脱除100万吨二氧化碳外，每个中心还应拥有专门的二氧化碳运输基础设施、地下储存资源和其他碳封存基础设施。威尔考克斯指出，有一些储存二氧化碳的方法无需消耗能量就可获得适合注入地质层的高纯度产物，例如将捕获的温室气体暴露于富碱岩石或尾矿，又或者用它们来刺激藻类生长——这些封存方式都适用于浓度为15%～30%的二氧化碳。她援引了明尼苏达州的塔玛拉克镍矿的案例：力拓集团与泰龙金属公司正合作开发该矿产资源，尝试向其中永久储存数亿吨二氧化碳。2022年2月，美国能源部为该项目提供了220万美元的研发资金。
威尔考克斯补充道，分散于全美各地的石棉尾矿对二氧化碳有高度反应性。合成骨料如碳酸盐岩的生产也可带来数十亿吨的永久碳封存，并替代混凝土中的沙子和砾石。
她说道：“并非所有汇碳路径都通向地下深处的管道和储存设施。当然，我们也希望看到这些设施能够不断完善。”
另一方面，根据威尔考克斯的说法，DAC的碳封存是迄今唯一能准确可靠地显示永久性脱除和存储了多少二氧化碳的CDR方法。这意味着DAC公司有资格获得脱碳相关的税收抵免——基于他们捕获以及利用/存入地下的二氧化碳吨数。目前还没有任何一家CDR公司能做到脱除并封存至少2.5万吨的二氧化碳，故尚无人获得免税资格。西方石油公司计划基于加拿大碳工程公司的技术，开设年产能达100万吨的DAC工厂。其他CDR方法难以像DAC的技术那般可靠地展示自己固定的二氧化碳量、所需能耗和封存的持久性。
尽管如此，美国能源部也提供对其他CDR方法的支持。他们于2021年11月推出“负碳攻关计划”，邀请所有类型的新兴技术团队申请研发资金，并帮助开发碳计量工具。该计划旨在支持10亿吨级的固碳方法，这些方法将实现以低于每吨100美元的价格捕获和储存二氧化碳，在整个生产周期内提供可靠的碳排计量，并保证未来100年或更长时间内的封存。
新的资助模式
政府并非CDR的唯一资金来源。2022年4月22日，埃隆 · 马斯克（Elon Musk）斥资1亿美元创办的XPrize碳清除大赛公布15名“里程碑奖”获得者，他们每人可获得100万美元奖金。其中大多数赢家来自美国，不过欧洲、肯尼亚、菲律宾和澳大利亚方面也有团队摘奖。令人印象深刻的是比赛吸引到的参与者数量——从最初的1 133个团队被筛选至287个——70名专家评审随后对他们的竞赛方案进行筛选和排名。
在60支决赛队伍里，超过1/3提出了DAC解决方案，其中6项 DAC方案最终斩获百万美元大奖。另有5组选手凭生物炭方法（生物炭方法是指在无氧气情况下加热生物质，得到碳密集材料并散布至土壤）及其他生物质解决方案脱颖而出。其余4队获奖者分别提供了3项海洋碳捕集方案和1项岩石矿化方案。
在XPrize碳清除“里程碑奖”的决赛争夺中，60支团队分别提出自己的技术方案，最终15组获得百万美元奖金。到2025年，大赛官方还将优中选优，颁发最多总金额高达8 000万美元的4个顶级大奖，并表示，里程碑奖得主不一定会在下一轮角逐中受到青睐。
XPrize碳清除大赛决赛队伍技术方案
同样在2022年4月，美国在线支付服务商巨头Stripe公司宣布成立子公司前沿（Frontier），其承诺在未来8年内购买价值9.25亿美元的永久性碳清除服务。新项目的合作者包括字母控股、加拿大电子商务软件开发商Shopify、元宇宙（Meta）、麦肯锡以及Stripe的客户——他们将一小部分交易成本捐赠给CDR技术研发团体。前沿公司的概念于十年前首次用于帮助低收入国家加速肺炎球菌疫苗开发，旨在提供具有约束力的承诺，即购买一种尚不存在的产品。前沿公司不会持有初创公司的股权，而是按CDR公司脱除的二氧化碳吨数向后者支付费用，从而保障那些被评审者判断为拥有可行技术的公司营收——无论其脱碳的初始成本如何。
Stripe公司环境部门的战略主管、前沿公司负责人汉娜 · 贝宾顿（Hannah Bebbington）表示：“前沿公司力求加快碳清除技术的发展。我们认为这对于实现每年50亿～100亿吨脱碳的2050目标来说意义重大。坚定的市场承诺有助于创造市场确定性，企业家和投资者可以利用这些确定性在很长一段时间内放心地发展新技术。”
前沿公司选择CDR技术的标准有五点：1）能够储存碳超过1 000年；2） 每吨二氧化碳脱除成本低于100美元；3）每年脱碳总量5亿吨；4）能做到监管透明，工作成果可靠；5）安全且对环境无害。此外，前沿公司还将寻找无需占用耕地的CDR方法。
前沿公司的成员并未给新技术购买设置价格或数量的限制。因此只要有符合其标准的新技术出现，他们就会采购。前沿公司的目标是，到2050年实现对多样化技术组合的大规模支持。
前沿公司估计，DAC迄今为止的除碳量不到1万吨。贝宾顿表示：“随着整个除碳市场扩增，整个碳清除经济也要随之发展，包括用于测量、报告和验证的基础设施建设，以及全球储碳站点网络的完善。”
“先行者联盟”（First Movers Coalition）是一项全球倡议，目前由数十家公司组成，旨在利用购买力创新除碳技术，并帮助“难以减排”的产业脱碳，包括钢铁、水泥、航空旅行和航运等行业。他们得到了世界经济论坛和美国政府的大力支持，而联盟成员承诺购买尚未进入市场的清洁技术。比尔 · 盖茨（Bill Gates）创立的超越能源公司正与该联盟合作。据悉，先行者联盟或将很快宣布一项慈善性质的CDR支持工作。
瓦伦 · 西瓦拉姆（Varun Sivaram）在总统气候问题特使约翰 · 克里（John Kerry）办公室担任负责清洁能源和创新的高级主管。西瓦拉姆于2022年4月中旬表示，先行者联盟将在几周内宣布一项针对CDR的倡议，以及新加入的成员。“这些公司希望创建一个能帮助技术扩展并真正改变世界的早期市场，并为此做出了真正有意义的承诺。这些努力相比于独善其身的减排或补偿性的购买，影响和意义要大得多。”
瑞典公司Milkywire成立了用于投资碳清除技术的气候转型基金。该基金的最大贡献者是总部位于斯德哥尔摩的瑞典支付服务公司Klarna，后者于过去两年间通过对其碳排放征收内部税，为气候转型基金筹集了200万美元。管理此基金的罗伯特 · 赫格伦德（Robert H?glund）认为，XPrize一定程度上促进了新兴CDR技术和初创公司的快速增长。尽管如此，只有不到40家公司把产品营销了出去——其中一半都使用的是生物炭方法。
封存持久性问题
赫格伦德管理的基金投资了两家生物炭公司：总部位于柬埔寨的Husk，以及印度公司MashMakes。前者用稻壳生产富含碳的材料，后者则以农作物残渣为原料。就像其他一些生物质类型的CDR方案（例如重新造林）一样，生物炭提供的永久储碳量少于DAC。根据赫格伦德的说法，现有证据表明它们的碳封存可持续超过100年，且具体时间跨度取决于土壤酸度和温度等变量。然而威尔考克斯持相反观点：一些生物炭会在短短10年内氧化。这位美国国家科学院、工程院和医学审查委员会的成员曾深入探索此项技术，意识到了生物炭的副作用：土壤的碳含量高了，对肥料的需求少了。“那是除碳吗？绝对不是。因为它不会以积极的方式影响气候。”
Milkywire基金向总部位于加州的空气净化服务提供商Heirloom公司提供了支持，后者旨在利用碳酸钙吸收二氧化碳，然后加热它们以释放浓缩气体用于地质储存。值得一提的是，Heirloom与其他机构合作也成为XPrize大奖的获得者之一。与其他DAC过程一样，这一过程所需的热量和电力来自可再生资源以实现负排放，而以化石燃料为动力的DAC所产生的二氧化碳比它清除的更多。
瑞士碳捕获初创公司Climeworks是迄今为止少数几家吸引大量投资的DAC公司之一。这家瑞士的合资公司2021年于冰岛开设了世界最大的碳捕集工厂，其合作伙伴冰岛碳储存公司会将捕获的二氧化碳注入地下，每年能储留4 000吨二氧化碳。2022年4月，Climeworks 报告称，他们已在一轮股权融资中募集到6.5亿美元，并称这是截至目前对DAC公司的最大投资。
美国能源部于4月份向5个团队提供了总计1 400万美元的资金，用于“无碳能源DAC ”的前端工程设计研究。空气捕获公司AirCapture是其中两个项目的合作伙伴，他们的脱碳方案设计为：用风扇将空气吹过化学接触器，后者吸附其中的二氧化碳，然后使用低温蒸汽释放浓缩的二氧化碳。一座核电站为第一步提供了蒸汽，一家化肥厂则为第二步提供热源。
AirCapture的设备大小和冰箱差不多，但“每年可脱碳100 吨”这一说法来自其首席执行官马特 · 阿特伍德（Matt Atwood）。另一项目的计划是利用化肥厂捕获的二氧化碳来生产甲酸。甲酸具备工业用途，也可成为载氢剂或合成燃料的前体。核能驱动产生的二氧化碳将被运往目的地储存进入地质。
美国虽有大量地质储存资源可供挖掘，且其地质调查局也已制作详细的地层图，但环境保护署仅批准了两口井用于全国范围的二氧化碳注入。除了要保证气体不会逸出，监管机构还必须考虑注入操作引发地震的风险。
5月5日，美国能源部开始分配基础设施法案拨款中的25亿美元，将其用于扩大地质储存容量。发布的意向通知宣告开始分配成本分摊资助金，该资助方案为期5年，总金额为22.5亿美元，虽然分配对象的数量尚不明确，但这些项目能够封存至少5 000万吨的二氧化碳——相当于大约1 000万辆汽油动力汽车的年排放量。此外，能源部还发布了总额9 100万美元的两次资助机会，旨在增加可用的二氧化碳储存点数量，推进碳管理技术。
海洋碳捕集公司Ebb Carbon的首席执行官本 · 塔贝尔（Ben Tarbell）因新的资助模式倍感鼓舞：“最近，一些地方实体、企业、城市和大学开始发声，表示我们将做正确的事情，信守碳中和的承诺，为我们排放的废气买单。”
海洋碳捕集公司 Ebb Carbon 公司正积极推进商业用的海水碳捕集设施的建设。他们计划2022年夏天在位于美国的一条管道处开设第一家工厂，以作研究之用
Ebb Carbon的电化学过程提高了它处理并返还海洋的水的碱度，从而减少了气候变化导致的海洋酸化。并且此过程的副产品是盐酸，可用于炼钢、食品和化学加工等行业。塔贝尔表示，公司的商业计划不能指望靠盐酸创收，企业和政府做出的碳排放承诺才是他们真正所能依靠的。
伦纳特 · 乔斯（Lennart Joos）审查了 前沿公司的海洋碳捕集方案。他表示，该机构将支持那些“仍须在工厂中证明自己的疯狂概念”。过去几年间，乔斯试图吸引投资者助力自己的海洋CDR技术，但都没能成功。“投资者在掏钱之前都会告诉我，他们想看到试点工厂。”
但乔斯也提出了警示，将投资集中于少数成功的CDR公司将损害许多极具前景的CDR概念。 “年储量为4 000 吨的Climeworks公司现已募集超过8亿美元资金。想象一下，你可以用这么多钱资助多少新点子。”
资料来源 Physics Today